基于無線傳感器網絡路由協議的評估指標研究

摘要:針對無線傳感器網絡自身特點，提出一套無線傳感器網絡路由協議評估指標體系#65377;該指標體系考慮網絡的限制，針對其性能#65380;設計和應用，對不同需求可得到合適的路由協議選取方案#65377;通過對現有路由協議的分析，說明該評估指標是較為合理有效的#65377;

關鍵詞:無線傳感器網絡; 路由協議; 評估指標

中圖分類號:TP393文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2007)04-0304-03

隨著具有感知#65380;計算和通信能力的微型傳感器的出現，以及普適計算(Ubiquitous Computing)思想的提出^[1，2]，促使計算#65380;通信和傳感器技術的結合，產生了無線傳感器網絡#65377;它不需要固定網絡支持，具有快速展開#65380;抗毀性強等優勢，能夠適用于人們無法接近的惡劣或特殊環境，在軍事#65380;商業#65380;醫療#65380;家庭和環境監測等方面廣泛應用^[3]#65377;

無線傳感器網絡節點兼備路由器和主機兩種功能，不但執行自己的應用任務(如感知和傳輸數據)，還要參與路由的發現#65380;維護，以及網絡的組織構建#65377;因此，路由技術是無線傳感器網絡的關鍵技術#65377;隨著無線傳感器網絡的研究深入，近年來已提出許多路由協議，按具體應用角度劃分，主要有能量感知路由(如能量多路徑路由EAR)#65380;基于查詢的路由(如定向擴散路由Directed Diffusion)#65380;地理位置路由(如地理位置能效路由GPER)#65380;可靠路由(如多路徑路由MPR)等^[4~7]#65377;

但是，這些路由協議適用于不同的應用環境，均各有側重點和優缺點#65377;如何根據具體的需求，選取一個安全#65380;有效的路由協議是實現無線傳感器網絡數據通信的關鍵#65377;本文針對無線傳感器網絡特殊性和自身特點，提出一套無線傳感器網絡路由協議的指標評估體系#65377;按照此評估指標對較有代表性的路由協議進行分析，比較其優缺點，根據具體應用環境，為選取合適方案提供參考#65377;

1無線傳感器網絡的特點

無線傳感器網絡是一種特殊的Ad hoc網絡，與常見的無線網絡(如無線局域網#65380;Ad hoc網絡等)相比，有自身的特點^[1，8]#65377;這些特點對路由協議的設計有較大影響#65377;

(1)節點資源有限#65377;節點由于受價格#65380;體積和功耗的限制，其計算能力#65380;程序空間和內存空間比普通的計算機功能要弱很多#65377;這一點決定路由協議不能太復雜#65377;

(2)節點能源有限#65377;傳感器節點通常采用電池供電，而電池的容量是有限的#65377;

(3)節點即路由設備#65377;網絡中節點由于受到許多限制，其通信距離有限，一般僅與鄰居節點通信#65377;為實現數據的傳輸，則需要通過中間節點進行路由#65377;無線傳感器網絡中的多跳路由是由普通網絡節點完成的，沒有專門的路由設備#65377;這樣每個節點既可以是信息的發起者，也可以是信息的轉發者#65377;

(4)節點數量眾多，分布密集#65377;傳感器節點是通過人工或飛行器空投到該監測區域，為完成數據采集任務，需成千上萬傳感器節點密集地分布在監測區域內，利用節點之間相對連接性來保證系統的容錯性和抗毀性#65377;

(5)無統一標志和控制中心#65377;無線傳感器網絡中沒有嚴格的控制中心，所有節點地位平等，是一個對等式網絡#65377;由于節點數量大，也沒有統一的地址標志符#65377;節點隨時加入或離開網絡，而不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性#65377;

(6)無固定網絡設施#65377;節點布設到具體環境后，通過分層協議和分布式算法協調各自的行為，不依賴于任何預設的網絡設施，可以快速#65380;自動地組成一個獨立的網絡#65377;

(7)具有動態性#65377;網絡中節點由于環境變化等因素可以隨處移動，也可能會因為能量耗盡或其他故障，退出網絡運行;還可能由于工作的需要而被添加到網絡中#65377;這些都會使網絡的拓撲結構隨時發生變化，網絡應該具有動態拓撲組織功能#65377;

(8)主要使用廣播通信#65377;節點分布密集#65380;有移動性，以及通信能力有限等因素，若以點對點為主的通信方式變得不可能#65377;因此，無線傳感器網絡通信主要以廣播方式為主#65377;

(9)易受威脅#65377;節點處于真實的物理世界，缺乏專門的服務和維護#65377;無線傳感器網絡除了受到無線網絡面臨的安全威脅外，還可能遇到竊聽#65380;消息修改#65380;路由欺騙#65380;拒絕服務和惡意代碼等安全威脅#65377;

2路由協議評估指標

無線傳感器網絡具有的特點和限制，使其路由協議設計也不同于傳統網絡#65377;傳統網絡的路由協議的設計以QoS為主要目標，而無線傳感器網絡路由協議卻以能耗作為首要設計目標#65377;因此，無線傳感器網絡路由協議的評估指標也有不同于傳統網絡#65377;

(1)低能耗#65377;低能耗是無線傳感器網絡路由協議的首要考慮指標#65377;網絡節點在配置完后，一般處于特殊的工作環境，不能給電池充電或更換電池#65377;路由協議的設計必須以節能為前提#65377;

(2)安全性#65377;每個傳感器節點是潛在的路由節點，更易受到攻擊#65377;路由協議面臨的威脅主要有虛假路由信息#65380;選擇性轉發#65380;Sinkhole#65380;Sybile#65380;Wormholes#65380;HELLO Flood攻擊和確認欺騙等^[9]#65377;安全性是路由協議評估的重要指標，包括對路由信息的保密性#65380;完整性#65380;可用性和認證，以及對節點被攻擊的抵抗性等#65377;

(3)動態適應性#65377;由于節點的脆弱性，將會不斷有節點由于能量#65380;物理損壞或被攻擊等因素，使得節點動態地加入或離開網絡，這樣網絡的拓撲結構也會隨之動態變化#65377;路由協議設計須考慮其網絡拓撲動態變化的適應性#65377;

(4)短時延#65377;無線傳感器網絡采取多跳路由傳輸數據，路由跳數將直接影響到傳輸時延#65377;傳輸時延將是路由協議涉及須考慮的重要指標之一#65377;

(5)擴展性#65377;在多數實際應用情況下，傳感器節點都是成千上萬地密集分布于監測區域#65377;所以，路由協議必須能夠支持比較大的網絡規模，這是一個較為重要的評估指標，直接關系到路由協議的可用性#65377;

(6)簡單化#65377;路由協議一般包括路由發現#65380;選擇和維護等算法，而傳感器節點的能量#65380;計算和存儲有限，這要求路由協議盡量簡單，操作不能太復雜，以保證傳感器節點能正常工作#65377;因此，簡單化也是路由協議評估的一個指標#65377;

3路由協議分析

根據前面提出的評估指標，對現提出的路由協議進行分析比較#65377;按照分析結果，可以針對不同的實際情況選用合適的方案#65377;

3.1能量感知路由

能量感知路由從數據傳輸中的能量消耗出發，討論最優能量消耗路徑以及最長網絡生命周期等問題，比較有代表的是Rahul C. Shah等人提出的能量多路徑路由(Energy Aware Routing，EAR)^[4]#65377;該機制在源節點與目標節點之間建立多條路徑，根據路徑上節點的通信能量消耗以及節點的剩余能量情況，給每條路徑賦予一定的選擇概率，使得數據傳輸均勻地消耗整個網絡的能量，以延長網絡生命周期#65377;

這類路由協議綜合考慮了通信路徑上的消耗能量和剩余能量，把通信能耗分散在多條路徑上，可最大限度延長網絡生命周期;在源節點與目標節點間建立多條路徑，對網絡動態拓撲具有適應性，且擴展性好#65377;但是，這種路由也有許多不足，沒有考慮安全性和傳輸時延，同時根據概率選擇下一跳節點，計算量較大#65377;該類路由一般適用于人們無法到達的惡劣環境，且要求安全性不高#65380;時效性不嚴的通用數據檢測#65377;

3.2查詢路由

查詢路由是傳感器節點根據查詢節點發出任務查詢命令，向查詢節點報告采集的數據，分為前向查詢和后向查詢#65377;較有代表性的是Intanagonwiwat C.等人提出的定向擴散路由(Directed Diffusion，DD)^[5]#65377;該路由機制以匯聚節點通過興趣消息發出查詢任務，采用洪泛方式把興趣消息傳播到所有傳感器節點;在興趣消息傳播過程中，逐跳地在每個傳感器節點上建立反向數據源到匯聚節點的數據傳輸梯度，傳感器節點把需要的數據按照梯度方向傳送到匯聚節點#65377;

在這類路由應用中，通信流量主要是查詢節點和傳感器節點的所需求數據傳輸，減少了通信流量而達到節能目的#65377;該路由在根據匯聚節點需要數據的興趣而建立，不需要復雜的計算過程，路由建立簡單，動態適應性好，可適用于各類型網絡，擴展性好#65377;但是，查詢路由也沒有考慮安全性和傳輸時延，對于機密性和實效性要求高的區域數據采集不太實用#65377;它按照需求采集數據，可適用于環境監測#65380;戰場評估應用#65377;

3.3位置路由

位置路由將節點的位置信息作為路由選擇的依據，通過判斷鄰居節點與網關節點的相對位置，從而決定其下一條節點#65377;比較有代表的是美國亞利桑那州大學的Shibo Wu等人提出的基于地理位置的高能效路由(Geographic Power Efficient Routing，GPER)^[6]#65377;該協議的主要思想是將向網關節點發送數據的傳輸過程，看成是由許多向子目標節點發送數據的傳輸過程組成，通過子目標節點的逐步建立，最終將數據發送到網關節點#65377;

該類路由以相對地理位置最短來選擇路由，不需經過復雜的計算，操作簡單，還可減少傳輸時延，具有時效性;同時能完成節點路由功能，還可以降低系統專門維護路由協議的能耗，同時避免了洪泛傳播方式，從而減少路由開銷#65377;但是，位置路由的安全性較差，易受到虛假路由等攻擊#65377;其路由建立過程依賴于位置信息，需要知道目標節點的精確或大致位置，不適用于動態網絡和大型網絡#65377;它可適用于森林防火#65380;毒氣檢測和地震預測等應用環境#65377;

3.4可靠路由

可靠路由主要保證數據傳輸的可靠性，它利用節點的冗余性提供多條路徑以保證通信可靠性#65377;通過建立傳輸可靠的估計機制，以保證每跳傳輸的可靠性#65377;較有代表的是Ganesan D.等人提出的多路徑路由(Highlyresilient Energyefficient MultiPath Routing，MPR)^[7]#65377;該路由機制首先建立源節點到目標節點的主路徑，然后再建立多條備用路徑;數據通過主路徑進行傳輸，同時利用備用路徑低速傳輸數據來維護路徑的有效性;當主路徑失敗時，從備用路徑中選擇較優路徑作為新的主路徑#65377;

該類路由采用主路徑和備用路徑同時傳輸數據的方法，防止主路徑被攻擊，具有一定安全性#65377;它建立了多條可用路徑，對于動態拓撲變化的網絡結構也是適應的，也不限于網絡類型和規模，具有擴展性#65377;

但是，這類可靠路由重復傳輸數據，會造成不必要的能量浪費#65377;備用路徑采取低速的傳輸方式，而沒有考慮傳輸時延#65377;為保證傳輸可靠性，隨時準備選擇較優路徑，路由維護較為復雜#65377;因此，該類路由可適用于對通信服務質量較高#65380;拓撲變化比較頻繁的應用環境，以及準確性和安全性要求高的作戰環境等領域#65377;

4結束語

無線傳感器網絡具有成本低#65380;自組網快#65380;抗毀性強等特點，在軍事#65380;工業等很多領域廣泛應用#65377;節點即路由設備的特殊性，使得路由技術是無限傳感器網絡構建的關鍵#65377;本文通過分析無線傳感器網絡的特點，提出一套評估路由協議的指標#65377;以此評估指標為依據，分析了較有代表性的路由協議的優缺點，根據分析結果，可在實際應用環境中選取合適有效的路由協議#65377;經對路由協議的分析比較，發現目前的各類路由協議均存在一定的不足，尤其在安全性#65380;時延和動態適應性等方面#65377;因此，路由協議的研究是無線傳感器網絡中值得高度重視和探索的領域#65377;

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